원자 두께 2차원 박막 전자 소재 생산

원자 두께 2차원 박막 전자 소재 생산

 

한국 과학자들이 주도하는 국제 공동 연구진이 미래 반도체와 휘는 디스플레이 등에 널리 활용될 것으로 기대를 모으고 있는 매우 얇은 전자 소재인 ‘2차원 물질’을 상용화가 가능할 정도로 크고 효율적으로 만드는 기술을 개발했다. 미국 매사추세츠 공대(MIT) 기계공학과 심재우. 배상훈 박사후연구원. 이도윤 방문연구원, 김지환 교수팀은 두꺼운 덩어리 형태로 만든 물질을 물질의 최소 단위인 원자 한 층 단위로 얇게 분리해서 어른 안경알 크기와 비슷한 지름 약 5㎝의 둥근 기판(웨이퍼)으로 만드는 데 처음 성공해 국제 학술지 ‘사이언스’ 11일자에 발표했다.

2차원 물질은 세상에 존재할 수 있는 가장 얇고 넓적한 물질이다. 두께가 A4 용지(약 0.1㎜)의 약 10만 분의 1 수준인 1㎚이다. 투명하고 탄력이 좋으며 독특한 전기적 성질을 지니고 있어 차세대 전자 소자로 주목 받고 있다. 대표적인 예로 탄소를 원자 1겹으로 얇게 가공한 ‘그래핀’이 있다. 최근에는 육방정계 질화붕소(h-BN), 이황화텅스텐(WS2), 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 등 다양한 소재들이 2차원 물질로 연구되고 있다.

연구팀은 금속이 갖는 ‘접착력’을 활용해 나노 미터 두께의 2차원 물질을 만들었다. 물티슈를 생각해 보자. 껍질을 벗겨 차곡차곡 쌓인 물티슈만 꺼낸 뒤, 들어 올리면, ‘한 덩어리’로 들어 올려진다. 물 때문에 서로 엉겨 붙어 있기 때문이다. 하지만, 양손으로 물티슈 위아래를 잘 잡고 잡아당기면, 둘로 분리할 수 있다. 이 과정을 반복하면, 마지막에 물티슈를 한 장만 분리할 수 있다.

2004년 그래핀이 이와 비슷한 방법으로 탄생했다. 양 손 대신 끈적한 셀로판 테이프를 썼다는 점이 다를 뿐이다. 이 방법은 지금도 여러 2차원 물질을 얻을 때 널리 사용되지만, 속도가 너무 느려 대량 생산에는 적용할 수 없다는 단점이 있었다. 연구팀은 2차원 물질의 층 분리 속도를 높일 수 있는 새로운 제조법을 찾았다. 이들은 금속인 니켈이 갖는 접착력에 주목했다. 물티슈를 분리하던 손 대신 니켈을 이용하는 셈이다. 우선 기판인 사파이어 판 표면에 이황화텅스텐 등 2차원 물질의 ‘원료’를 단번에 쌓아 올렸다. 이 상태에서 원료는 2차원 막이 여러 층 쌓인, 마치 껍질을 막 벗긴 물티슈 덩어리 같이 ‘층’ 구조를 이루고 있다.

연구팀은 그 위에 두께가 600㎚인 니켈 판을 덮었다. 2차원 물질 재료와 니켈 판 사이의 접착력이 사파이어 기판과 2차원 물질의 접착력 보다 크기 대문에, 니켈 판을 들어 올리면 아래에 2차원 물질 덩어리가 기판으로부터 통째로 분리된다. (물티슈를 그대로 들어 올린 상태). 이어서 들어 올린 덩어리 아래에도 니켈 판을 마주 붙인 뒤 떼면, (양손으로 물티슈 위아래를 잡는 것과 비슷하다), 2차원 물질을 얇게 분리할 수 있다. 이 과정을 반복하면, 여러 장의 원자 1겹 2차원 물질을 빠르게 얻을 수 있다. 연구팀은 “지름 5㎝정도로 상용화가 가능한 수준의 2차원 물질을 2-3분 안에 얻을 수 있다”며, “한 시간이면 이들을 쌓아서 전자기기를 만들 수 있다”고 밝혔다.

연구팀은 이 방법이 2차원 물질 종류에 상관없이 두루 사용될 수 있다는 사실을 확인했다. 실제로 이 방식으로 다양한 2차원 물질을 만들기도 했다. 마지막으로 이렇게 만든 2차원 물질을 A4 용지를 쌓듯 차곡차곡 쌓아서 다양한 새로운 전자 소자로 활용할 수 있다는 사실도 증명했다. 절연체인 질화붕소 반도체인 이황화텅스텐을 쌓아 웨이퍼 내 모든 표면에서 고르게 빛을 내는 품질 좋은 발광 소자를 만들고, 성능이 우수한 전계 효과 트랜지스터도 개발했다. 연구 총책임자인 김지환 교수는 “기존에 불가능했던 고품질 대면적의 2차원 물질을 효율적으로 만들 수 있게 됐다”며, “웨어러블 전자기기, 초저전력 소자, 차세대 배터리, 스마트 유리 등에 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.